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Type: Dissertação
Title: Eficácia e acurácia de emuladores em modelos eletrofisiológicos cardíacos simulados
Author: Oliveira, Lucas Teixeira
First Advisor: Santos, Rodrigo Weber dos
Co-Advisor: Campos, Joventino de Oliveira
Referee Member: Rocha, Bernardo Martins
Referee Member: Oliveira, Rafael Sachetto
Resumo: Doenças cardíacas são comuns nos dias atuais, e a necessidade de estudos sobre a atividade eletrofisiológica tem sido atendida por meio de simulações computacionais que auxiliam no diagnóstico médico. O uso de ferramentas estatísticas, como a Quantificação de Incertezas (UQ) e a Análise de Sensibilidade (SA), orienta o desenvolvimento de modelos computacionais ao identificar os parâmetros mais influentes. Entretanto, essas ferramentas demandam uma grande quantidade de dados para produzir resultados confiáveis. Devido ao elevado custo computacional das simulações, emuladores surgem como alternativa para gerar dados suficientes e viabilizar a aplicação de UQ e SA. O objetivo deste trabalho foi analisar três emuladores, Expansão em Caos Polinomial (PCE), Processos Gaussianos (GP) e Redes Neurais (NN), quanto à sua eficácia e acurácia ao treinar e predizer valores de dois modelos eletrofisiológicos baseados no modelo de ten Tusscher (2004). Inicialmente, investigaram-se diferentes kernels para os GPs, com o intuito de selecionar os mais adequados e compará-los aos demais emuladores. Posteriormente, os métodos foram avaliados quanto ao erro quadrático médio (MSE) e aos tempos de treinamento e de inferência, sendo atribuída uma nota normalizada obtida pela média dessas métricas. De modo geral, os resultados mostram que as Redes Neurais apresentaram o melhor equilíbrio entre tempo de inferência e acurácia, sobretudo em cenários com alta dimensionalidade, enquanto os PCEs destacaram-se pela rapidez de treinamento e bom desempenho em variáveis específicas. Já os Processos Gaussianos mostraram desempenho competitivo, especialmente em duas quantidades de interesse, nas quais obtiveram os menores erros quadráticos médios entre todos os métodos.
Abstract: Heart diseases are common nowadays, and the need for studies on electrophysiological activity has been met through computational simulations that assist in medical diagnosis. The use of statistical tools such as Uncertainty Quantification (UQ) and Sensitivity Analysis (SA) guides the development of computational models by identifying the most influential parameters. However, these tools require a large amount of data to produce reliable results. Due to the high computational cost of simulations, emulators emerge as an alternative to generate sufficient data and enable the application of UQ and SA. The objective of this work was to analyze three emulators, Polynomial Chaos Expansion (PCE), Gaussian Processes (GP), and Neural Networks (NN), regarding their efficiency and accuracy in training and predicting values of two electrophysiological models based on the ten Tusscher (2004) model. Initially, different kernels were investigated for the GPs to select the most suitable ones and compare them with the other emulators. Subsequently, the methods were evaluated based on the mean squared error (MSE) and on training and inference times, with a normalized score obtained by averaging these metrics. In general, the results show that Neural Networks presented the best balance between inference time and accuracy, especially in high-dimensional scenarios, while PCEs stood out for their fast training and good performance in specific variables. Gaussian Processes, in turn, showed competitive performance, especially in two quantities of interest, in which they achieved the lowest mean squared errors among all methods.
Keywords: Modelo eletrofisiológico cardíaco
Emulador
Processo gaussiano
Expansão em caos polinomial
Redes neurais
Cardiac electrophysiological model
Emulator
Gaussian process
Polynomial chaos expansion
Neural networks
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: Faculdade de Engenharia
Program: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-ShareAlike 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/19787
Issue Date: 9-Sep-2025
Appears in Collections:Mestrado em Modelagem Computacional (Dissertações)



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